. TE EETNE FNDAMENTAE. Amplfcatoare.. ntrodcere. Generaltăţ Prn amplfcare înţelegem procesl de mărre a valorlor nstantanee ale ne pter sa ale alte mărm, făra a modfca modl de varaţe a mărm în tmp ş folosnd energa nor srse de almentare. Amplfcarea electroncă se obţne pe baza modfcăr ntenstăţ n crent de electron în vd sa în strctră semcondctoare prn varaţa nor tensn la electroz de comandă. În crctele de amplfcare se realzează procesl de amplfcare, adcă se reprodce la eşre sb formă amplfcată pterea sa o mărme ce ntră ca factor în expresa pter nstantanee, folosnd energa srselor de almentare. În acest captol se vor stda amplfcatoarele realzate c tranzstoare npolare (TE sa FET) ş bpolare. Tranzstoarele snt consderate în crcte electronce ca dspoztve actve, în sensl că pot comanda pterea absorbtă de la srsele de almentare ca răspns la acţnea semnall de ntrare, asgrând sarcn tle o ptere ma mare ca aceea debtată de srsa de semnal de la ntrare. n amplfcator poate f consderat ca în scema bloc dn fgra de ma jos în domenl tmp sa în domenl frecvenţă, nde x(t) este mărmea semnall de ntrare ar y(t) este semnall de eşre: Factorl de amplfcare (amplfcarea) se ntrodce c expresle: y () t A x( t τ ) nde A este amplfcarea ş τ este tmpl de întârzere (de trecere) ale semnall în amplfcator. Y A X nde A este fncţa de transfer (factor de amplfcare în complex) c modll ş faza, de obce dependente de frecvenţă: A A exp jϕ ( ) ( ω) ( ω) exp ϕ( ω) Aj A j În legătra c fgra a trea nde se foloseşte reprezenterea de cadrpol pentr amplfcator, se ntrodc amplfcărle de tensne, de crent ş de ptere: A A cosθ,, A P cosθ 7
nde,,, snt valorle efectve ale mărmlor de la eşre ş ntrare ş θ, θ snt ngrle de fază între crenţ ş tensn. n amplfcator c ma mlte etaje se poate consdera ca fnd legarea în cascadă a ma mltor amplfcatoare smple, amplfcarea globală fnd egală c prodsl amplfcărlor. aracterstca de frecvenţă a amplfcatorl reprezntă dependenţa între modll factorl de amplfcare, de obce în tensne, ş frecvenţa semnall de ntrare ş se obţne expermental atacând la ntrare amplfcatorl c n semnal snsodal de ampltdne constantă ş frecvenţă varablă ş măsrând-se tensnea de la eşre. Modll factorl de amplfcare rezltă dn raportl valorlor efectve ale celor doă tensn. Deoarece modll amplfcăr ş frecvenţa se reprezntă crent în dagrame la scară logartmcă, se dă ma jos defnţa factorl de amplfcare exprmat în decbel (db). Pentr amplfcatorl dn fgra de ma jos, c rezstenţa de ntrare N ş încărcat la eşre c rezstenţa de sarcnă S, pterle de la ntrare ş de la eşre (în cazl nor rezstenţe pr omce) snt: P N, P N S S amplfcarea în ptere exprmată în db (câştg) se defneste prn: G P A db P [ ] 0lg 0lg A [ db] P P P Prn comparaţe c expresa anteroară se defnesc ş amplfcărle de tensne ş crent exprmate în db: G A [ db] 0lg G A [ db] 0lg 7
aracterstca de frecvenţă logartmcă pentr n amplfcator se prezntă în fgra rmătoare: Modll factorl de amplfcare rămâne practc constant, la valoarea A N (nomnală) într-n anmt domen de frecvenţă n vecnătatea frecvenţe f 0. n semnal snsodal de ampltdne constantă la ntrare, pterea tla frnzată sarcn S scade la jmătate dacă modll factorl de amplfcare devne A N adcă scade c 3dB. Acest aspect a sgerat defnrea benz de frecvenţă a amplfcatorl ca domenl de frecvenţă în care modll factorl de amplfcare n se scmbă ma mlt de or faţă de valoarea A N: B f f nde f s este lmta speroară a benz de trecere la frecvenţe înalte, ar f j la frecvenţe joase. eprezentarea la scară logartmcă este avantajoasă dn rmătoarele motve: caracterstca globală a n amplfcator c ma mlte etaje se obţne prn smpla smare grafcă a caracterstc etajelor: în dagrame se pot reprezenta amplfcăr ş frecvenţe care varază în lmte foarte larg; aproxmarea lnar fragmentara a caracterstclor reale este smplă ş c eror destl de mc.. lasfcarea amplfcatoarelor a clasfcarea amplfcatoarelor se consderă dferte crter care se referă la domenl frecvenţe semnalelor care pot f prelcrate, strctra scemelor amplfcatoarelor ş natra elementelor dn sceme, regmrle partclare de fnctonare ale elementelor actve, natra mărm amplfcate, nvell semnalelor, etc., fără a exsta între dferte clasfcăr o delmtare precsă. Dpă frecvenţa semnalelor, amplfcatoarele pot f împărţte în doă mar grpe: amplfcatoare de crent contn (cc, care amplfcă tensn ş crenţ c varaţe arbtrară ş orcât de lentă ş dec pot lcra ş c semnale alternatve de joasă frecvenţă, propretate asgrată de obce prn cplaje adecvate între etaje) ş amplfcatoare de crent alternatv (ce a în strctră cplaje ce n permt trecerea semnalelor de crent contn). Amplfcatoarele de crent alternatv, dpă domenl frecvenţelor semnalelor, se clasfcă în: -amplfcatoare de adofrecvenţă c banda de la zec de Hz la zec de khz, consderate în clasa amplfcatoarelor de joasă frecvenţă; s j 73
-amplfcatoare de vdeofrecvenţă, c banda de la cca 0 Hz la 30 MHz, a căror denmre a fost dată dpă semnall vdeo dn televzne -amplfcatoare de radofrecvenţă, ce snt destnate pentr semnale c frecvenţa ma mare de 00 khz ş a ma mlte sbdvzn. Dpă lăţmea benz de frecvenţă amplfcatoarele de c.a. se împart în amplfcatoare de bandă îngstă ş amplfcatoare de bandă largă. Etajele de amplfcare se clasfcă ş dpă pozţa pnctl statc de fncţonare, adcă pnctl de fncţonare fără semnal al dspoztvl actv în planl caracterstclor sale de eşre sa de ntrare, componentele de crent contn ale mărmlor de termnal ale dspoztvl actv fnd însă dferte de cele de pnct statc. Dpă acest crter snt etaje de amplfcare clasă A, B,, AB. Dpă natra mărm de nteres la eşrea amplfcatoarelor, acestea se grpează în amplfcatoare de tensne, de crent, ş de ptere. clasfcare dpă nvell semnall ş ptere este rmătoarea: -amplfcatoare de semnal mc, în care este posblă elaborarea scemelor ecvalente de analză folosnd modelele dspoztvelor actve pentr semnale mc prespse c parametr constanţ ş anme c valor determnate în pnctl statc. Este evdent că în regm de semnal mc mărmle de termnal ale dspoztvelor actve trebe să se scmbe foarte pţn faţă de valorle de pnct statc, altfel parametr varază c nvell semnall (de exempl panta gm 40 la n tranzstor bpolar). -amplfcatoare de semnale mar, în care se consderă lmtăr determnate de de pterea dspată de dspoztvl actv, dstorsnle semnall, valorle maxme posble pentr crenţ ş tensnle de termnal, temperatră, etc. a analza ş proectarea etajelor de amplfcare pentr semnale mar se folosesc faml de caracterstc de termnal, cel ma des cele de eşra ş metode grafo-analtce. -amplfcatoarele de ptere cprnd în general etajele selectve de ptere în care dspoztvele actve lcrează în regm nelnar, rmărnd-se să se obţnă o ptere de crent alternatv ş n randament cât ma mare..3 Amplfcatoare deale a amplfcatoarele deale amplfcărle snt ndependente de elementele exteroare amplfcatorl. Pentr a dscta partclartăţle amplfcatoarelor deale de tensne, de crent, transadmtanţă ş transmpedanţă se defnesc în legătră c amplfcatorl deal dn fgră, amplfcărlr prn care se poate caracterza răspnsl acesta. 74
Dacă se atacă în tensne (generator de semnal modelat prn modell Tévenn) n amplfcator deal, care se vede prn rezstenţa sa de ntrare, atnc, nteresl ar f să se transfere practc toată tensnea generator către amplfcator: N N g pentr N g N g >> avem N g dec nteresl ar f ca etajele c rezstenţă (mpedanţă) mare de ntrare să fe atacate în tensne, pentr că în acest caz avem transfer maxm de tensne Dacă srsa de semnal este n generator de crent (model Helmoltz), atnc crentl de ntrare în amplfcator va avea expresa: N g g ar pentr N g g N << avem N g ăspnsl amplfcatorl poate f determnat în ma mlte felr dpă mărmea de eşre consderată ş dpă modl cm se a mărmle de ntrare, tensn sa crenţ: Amplfcare în tensne: A N Amplfcare transadmtanţă: A Y N Amplfcare în crent: A N Amplfcare transmpedanţă: A N 75
..4 Amplfcatoare de semnal mc realzate c tranzstoare bpolare (ASM)..4. Amplfcator de semnal mc în conexne emtor-comn Scema electrcă se prezntă pe fgra rmătoare. ondensatoarele de cplaj a roll de a fltra componenta de crent contn, respectv de a lăsa să treacă semnall varabl care trebe amplfcat. ondensatorl dn emtor devne scrtcrct la frecvenţa de lcr, pnând la msă emtorl de nde ş denmrea conexn: emtor comn (E). scema ecvalentă în care am înloct tranzstorl c scema ecvalentă c parametr brz: negljând efectl eşr la ntrare, consderând 0, obţnem scema smplfcată: r amplfcarea în tensne: A N f o f nde o 76
77 cm de obce parametrl o are valor foarte mc, expresa devne ' dec amplfcarea în tensne va deven: ' f A amplfcarea în crent se poate scre: f f B B f B f B N B N A ' rezstenţele de ntrare ş de eşre devn: B N N dacă B >> o dacă o >> bservate onstatăm că toţ parametr etajl depnd drect de parametr tranzstorl ş prn aceasta de condţle de lcr, scema de polarzare trebe să asgre însă stabltatea pnctl statc de fncţonare în raport c varaţa temperatr precm ş c dspersa parametrlor...4. Amplfcator de semnal mc conexne colector comn () (repetor pe emtor) Scema electrcă de prncp precm ş cea de crent alternatv se prezntă pe fgrle rmătoare: Polarzarea tranzstorl bpolar este dentcă c cea de la etajl c emtorl comn, pe scema de crent alternatv toate condensatoarele apar ca scrtcrcte, amplfcărle de tensne ş de crent se calclează c relaţle rmătoare:
78 amplfcarea în tensne: ( ) ( ) E o f E o f N A dec etajl repetor pe emtor de fapt n amplfcă în tensne. Amplfcarea n crent: ( ) ( ) E E f B B E E f B N N N A se observă că o parte dn amplfcarea în crent a tranzstorl se perde prn dvzarea crentl atât la ntrare cât ş la eşrea etajl dacă ( ) B E E f >> atnc B A..4.3 Amplfcator de semnal mc c tranzstor bpolar în conexne bază comnă (B) Scema n etaj B nde tranzstorl este polarzat c doă srse de almentare se prezntă pe scema de ma jos: Scema ecvalentă de crent alternatv precm ş scema ecvalentă în care tranzstorl a fost înloct c crctl ecvalent c parametr brz se prezntă pe fgra de ma jos: În scema ecvalentă s-a negljat parametrl, fapt jstfcat lteror prn calcle.
79 amplfcarea în tensne: ( ) >> f f N T A, nde ( ) amplfcarea în crent: ( ) f f E f f A aracterl deal al etajl amplfcator B constă în ndependenţa amplfcăr în crent (sbntară) de crctl exteror..5 Etaje compse c tranzstoare bpolare Exstă nele confgraţ de câte doă etaje care se tlzează frecvent în scemele de amplfcatoare (nclsv în cele ntegrate), care pot f prvte ca n etaj comps, deoarece polarzarea celor doă tranzstoare este nseparablă..5. Etajl comps tp E-B (cascod) În fgra de ma jos se prezntă scematc etajl comps tp cascod: Etajl cascod are amplfcarea în crent: f f f N A, nde am negljat o ar amplfcarea în tensne: f f f f f N A nde pentr smpltate am presps, f f f, adcă tranzstoare dentce. onclza ar f că obţnem n amplfcator care amplfcă în crent ca n etaj E, la o rezstenţă de eşre foarte mare (rezstenţa de eşre a tranzstorl în conexnea B în gol) ş are amplfcare în tensne de valoare mare în gol ( )
..5. Etaje compse -E ş - ombnaţle colector comn-emtor comn ş colector comn-colector-comn snt reprezentate pe fgra de ma jos, nde generatorl de crent constant este necesar pentr polarzarea prml tranzstor (în varante smple se poate înloc c o rezstenţă): Ţnând seama de propretăţle etajelor ş E, ptem afrma că etajl comps - E poate f prvt ca n amplfcator transadmtanţă, amplfcarea fnd dată practc de cel de al dolea etaj. ombnaţa - este aproape n amplfcator deal de tensne, având însă amplfcarea sbntară. În scmb etajl comps - are o amplfcare în crent foarte mare.n caz partclar îl constte etajl nmt Darlngton. azrle acestea pot f generalzate, aşa cm se vede pe fgra de ma jos, semnall de ntrare se aplcă totdeana pe bază, ar semnall de eşre ptând f colectat atât de pe colectorl cât ş de pe emtorl cel de al dolea tranzstor. Prn calcll parametrlor ecvalenţ se demonstrează că această conexne se poate înloc c n tranzstor ecvalent, dpă cm se vede pe fgră: 80
8. Amplfcatorl dferenţal Amplfcatorl dferenţal constte n tp aparte de etaj elementar de amplfcare, atât prn faptl că poate f exctat smltan de către doă srse de semnal, cât ş pentr faptl că semnall de eşre se poate clege în ma mlte modr (mod dferenţal sa mod comn, aşa cm vom vedea ma încolo) Scema de prncp al n amplfcator dferenţal este prezentată pe fgră: Scrnd relaţle dntre crenţ de colector ş tensn emtor-bază:, α α E E E E prespnând α α α ( ) T BE BE T BE T BE T BE T BE T BE S S S S e e e e e e α α α α BE BE BE BE dar S e T BE T T T e e e α α α reprezentând grafc:
8 bservaţ.exstă o porţne de fncţonare lnară în jrl l 0 la T ±.transcondctanţa defntă: ( ) T T T T T T m e e e e g ` α are valoarea maxmă pentr 0 obţnând T m g 4 max, valoare ce este n sfert dn valoarea transcondctanţe n tranzstor bpolar 3. tensnea de eşre defntă ca dferenţa tensnlor dn colectoarele celor doă tranzstoare T t E E α Se vede că pentr 0 avem 0 ceea ce este n avantaj, deoarece se pot conecta ma mlte etaje de acest fel în cascadă 4. Se poate extnde domenl tensnlor de ntrare c ajtorl sceme de ma jos:
ezstenţele de emtor permt extnderea domenl tensnlor de ntrare c valoarea ar transcondctanţa se va modfca: E g me g g m m E a n amplfcator dferenţal defnm rmătoarele: tensnea de ntrare dferenţală: tensnea de eşre dferenţală: tensnea de ntrare de mod comn: tensnea de eşre de mod comn: amplfcarea dferenţală pră amplfcarea de mod comn pră amplfcarea pe mod comn a semnall dferenţal amplfcarea dferenţală a semnall pe mod comn factor de dscrmnare: factorl de rejecţe pe mod comn: factorl de rejecţe pe mod dferenţal: A A A A d d c c dd cc cd dc F d A A dd cc d c c 0 c d 0 c d c 0 d c d 0 A MM A A DM A dd dc cc cd Astfel pentr tensnle de eşre avem rmătoarele relaţ de calcl: c d Acc A dd c d DM d M A c cc A dd c d A cd A dc d c 83
84..Modr de lcr. Analza fncţonăr amplfcatoarelor dferenţale ea ma smplă varantă a n amplfcator dferenţal se obţne atnc când în locl generatorl de crent constant dn emtor se foloseşte o rezstenţa de emtor, ca în fgra de ma jos: În scema ecvalentă, tranzstoarele s-a înloct c scemele ecvalente natrale (Gacoletto) smplfcate. Prn metoda dsecţe vom obţne câte n semcrct pentr cele doă modr de lcr, mod dferenţal, mod comn: semcrctl pentr modl dferental pr se prezntă pe fgra de ma jos: Tensnea dn emtor n va vara, ş nc în pnctl med al rezstenţe de sarcnă, modl de lcr este mod dferenţal pr : ( ) π π π π π π π β r r r g r r g A B B m B m d d dd d
85 semcrctl valabl pentr modl de lcr mod comn se prezntă pe fgra de ma jos: ( ) ( ) ( ) ( ) π π π π π π π π π π π π β β β r r r g r r g g r r r g A B E E E B m E B m m E B m c c cc c >> Este de remarcat faptl că această amplfcare se doreşte a f cât ma mcă, lcr ce se realzează şor dacă în loc de rezstenţa de emtor se foloseşte n generator de crent constant, ce are o rezstenţă dnamcă ecvalentă foarte mare rezstenţa de ntrare dferenţală: ( ) r π B d d d d rezstenţa de ntrare de mod comn: ( ) β r π B c c c dacă n amplfcator dferenţal este comandat de n semnal ş de mod comn ş de mod dferenţal, atnc scema ecvalentă pentr acest semnal va f:
Aplcaţe Scema n amplfcator dferenţal smlat în Mcrosm 8, precm ş formele de ndă rezltate se prezntă pe fgra de ma jos: 86
.3 Amplfcatoare c reacţe.3. ntrodcere Scema bloc a n amplfcator c reacţe este reprezentată în fgra de ma jos, nde amplfcatorl de bază are amplfcarea: X ax nde Xo ş X pot f fecare în parte crenţ sa tensn. eţeaa de reacţe c fncţa de transfer β (feed-back) este realzată de obce sb forma n atenator de precze : X β f X ar la ntrare semnall de reacţe este scăzt dn semnall dat de generator: X X g X f Amplfcarea globală (amplfcarea nclzând efectl reacţe) este: A X X a aβ ş ea poate f în modl ma mare sa ma mcă decât cea a amplfcatorl de bază Tpr de reacţe Defnm reacţa poztvă pentr A > a, aβ < ş reacţa negatvă pentr A < a, aβ > În amplfcatoare se foloseşte reacţa negatvă care asgră îmbnătăţrea nor performanţe în scmbl redcer amplfcăr. n caz partclar este cel al reacţe negatve pternce, care a A pentr a (foarte mare) aβ β 87
X f Se defneşte transmsa pe bclă, ca fnd T aβ, pentr reacţe poztvă X acest raport este poztv ( T > 0 ), ar pentr reacţe negatvă este negatv. 88
.3. Desensblzarea amplfcatorl Amplfcarea amplfcatorl de bază a este sensblă la condţle de fncţonare (varaţa tensnlor de almentare, varaţa temperatr), precm ş la varaţle parametrlor dspoztvelor electronce. În cazl ne reacţ negatve pternce amplfcarea globală depnde practc nma de reţeaa de reacţe, care este realzată de obce sb forma n atenator de precze. ând în consderare varaţle l A în raport c a, ptem scre da da d da a aβ aβ ( ) Dn relaţle anteroare, rezltă rmătoarea exprese: da da A aβ a F da a nde F aβ T este factorl de reacţe sa factorl de stablzare. Se poate observa că varaţa relatvă a amplfcăr scade prn aplcarea reacţe negatve exact în raportl în care scade amplfcarea. Mărrea amplfcăr poate f asgrată prn mărrea nmărl de etaje, în tmp ce redcerea varaţe relatve a amplfcăr (desensblzarea amplfcăr) este n câştg caltatv foarte mportant..3.3 Efectl reacţe negatve aspra pertrbaţlor Se examnează staţa în care semnall parazt apare în nterorl amplfcatorl s anme se adagă la ntrarea n al dolea bloc amplfcator care ntră în compnera amplfcatorl de bază,semnall parazt poate f de pldă zgomotl de reţea (brm) Semnall tl la eşre: aa xg aa β Semnall parazt la eşre: ax n aa β aportl semnal-zgomot: S x a N x a aa aa β g n a βa a 89
Dec redcerea efectl n semnal parazt prn reacţe negatvă revne prn adăgarea n amplfcator de semnal mc care este practc mn la această pertrbaţe.3.4 Efectl reacţe negatve aspra dstorsnlor Daca amplfcatorl de baza are o caracterstcă nelnară, ca de exempl pe fgra de ma jos, nde pentr semnale mc la ntarare avem a 000, ar pentr semnale ma mar avem a 00, c o reţea de reacţe, care are β 0. obtnem o amplfcare globală: 000 000 00 00 A 000 9.9 respectv A00 9. 09 000 0. 0 00 0. Se observă dec o varate a pante de la 9.9 la 9. faţă de 000 la 00, practc s-a lnarzat caracterstca nelnară, preţl plătt fnd redcerea amplfcăr.3.5 Amelorarea răspnsl în frecvenţă Fe n amplfcator de bază c răspnsl în frecvenţă, nde a ( jω) a j ω ω S, ω S este frecvenţa de tăere nde a este amplfcarea la frecvenţă zero, astfel amplfcarea c reacţe negatvă se scre: a ω j ωs a A A( jω) a a ω ω β β j j ω j ωs ( βa ) ωs ω nde S ω S este frecventa leterală a amplfcatorl c reacţe negatvă 90
Pe fgra de ma jos se reprezntă caracterstcle de frecvenţă corespnzătoare:.3.6 Topologa crctelor de reacţe În contnare se prezntă cele patr topolog de bază ale crctelor c reacţe care dferă prn modl de clegere al semnall de reacţe la eşre (eşantonarea semnall la eşre) ş prn modl de aplcare al acesta la ntrare (compararea c semnall dat de generator). În fgra de ma jos se prezntă topologa c reacţe c eşantonare pe bclă ş comparare pe bclă sa reacţe sere-sere sa reacţe crent-tensne, vorbnd de la esrea la ntrarea amplfcatorl, sa reacţe de crent sere Pe de altă parte avem de a face în acest caz c n amplfcator de bază amplfcator transadmtanţă ş n bloc de reacţe de tp transmpedanţă: ay AY a β Y 9
În fgra de ma jos se prezntă topologa c reacţe c eşantonare pe nod ş comparare pe bclă sa reacţe paralel-sere sa reacţe tensne-tensne, vorbnd de la esrea la ntrarea amplfcatorl, sa reacţe de tensne sere Pe de altă parte avem de a face în acest caz c n amplfcator de bază amplfcator de tensne ş n bloc de reacţe de tp amplfcator de tensne: A a β a În fgra de ma jos se prezntă topologa c reacţe c eşantonare pe nod ş comparare pe nod sa reacţe paralel-paralel sa reacţe tensne-crent, vorbnd de la eşrea la ntrarea amplfcatorl, sa reacţe de tensne paralel. Pe de altă parte avem de a face în acest caz c n amplfcator de bază amplfcator transmpedanţă:ş n bloc de reacţe de tp transadmtanţă: a A a β Y 9
În fgra de ma jos se prezntă topologa c reacţe c eşantonare pe bclă ş comparare pe nod sa reacţe sere-paralel sa reacţe crent-crent, vorbnd de la eşrea la ntrarea amplfcatorl, sa reacţe de crent paralel. Pe de altă parte avem de a face în acest caz c n amplfcator de bază amplfcator de crent:ş n bloc de reacţe de tp amplfcator de crent: A Y a a β mpedanţele de ntrare ş de eşre se modfcă astfel datortă reacţe negatve: ( T ) ( ) T ( T ) ( ) pentr reacţ tp sere (tensne) N N N T T N pentr reacţ tp paralel (crent) pentr reacţ tp sere (crent) T T T pentr reacţ tp paralel (tensne) nde N, T snt mpedanţele de ntrare ş de eşre ale amplfcatorl de bază, ţnând cont de încărcarea ntrodsă de reţeaa de reacţe, ar N, T snt cele asocate amplfcatorl c reacţe. onfgraţ tpce de amplfcatoare c tranzstoare, asocate celor patr confgraţ de raecţe, snt reprezentate în fgrle ce rmează, nde a fost consderate nma scemele ecvalente în regm dnamc: 93
reacţa sere de tensne prespne n amplfcator de tensne nenversor, realzat c tranzstoarele T,T ş cadrpoll de reacţe, : reacţa paralel de crent este realzată într-o strctră formată dntr-n amplfcator de crent realzat c T 3,T4 ş n dvzor de crent 3, 4 : 94
reacţa paralel de tensne necestă n amplfcator transmpedanţă realzat c T 5 ş n cadrpol transadmtanţă 5 pentr bcla de reacţe: reacţa sere de crent este realzată c n tranzstor ce realzează fncţa de transadmtanţă T 6 ş n cadrpol transmpedanţă 6 pe bclă: 95
.4 Amplfcatoare de ptere de joasă frecvenţă.4. ntrodcere Amplfcatoare de semnale mar, sa de ptere trebe să dezvolta în sarcnă o anmtă ptere, c n randament cât ma bn ş c dstorsn căt ma mc. Sarcna n etaj de ptere poate f n dfzor, o lne de transmse, n servomotor, etc, ar pterea varază între zec ş ste de waţ. ezstenţa sarcn varază de la câţva om (dfzoare) până la ste de om (servomotoare). Tranzstoarele dn etaje de ptere pot lcra în regm lnar în clasele A, B, AB, de amplfcare, în orcare dn cele tre conexn posble. Alegerea conexn se face în fncţe de ptere tlă, dstorsn nelnare, caracterstcă de frevenţă, etc. lasa este folostă nma la amplfcatoare de ptere de înaltă frecvenţă, nde realzarea crctelor acordate este mlt ma smplă ca la frecvenţe joase Tranzstoarele pot lcra în regm de mplsr când semnall de comandă este n semnal dreptnglar c factorl de mplere varabl în fncţe de semnall de ntrare, regml nmnd-se în acest clasa D de amplfcare. În conexne E se obţne cea ma mare amplfcare de ptere ar în conexnea avem cele ma smple sceme (repetoare pe emtor, fără transformator la eşre). onexnea B asgră dstorsn mnme..4. Amplfcatoare în clasă A Pe fgra de ma jos se prezntă scema n amplfcator de ptere c n tranzstor în conexne E fncţonând în clasa A de amplfcare, adcă amplfcă ambele alternanţe ale n semnal alternatv: În absenţa semnall de ntrare, tranzstorl se găseşte în pnctl statc de fncţonare P, ale căr coordonate trebe să satsfacă ecaţa drepte de sarcnă în regm statc: ( ) 0, 0 E ( r ) E P ş să se găsească sb perbola de dspaţe termcă a tranzstorl P d cons tant 96
Pentr a obţne excrse maxmă a tensn dn colectorl tranzstorl tensnea dn pnctl statc de fncţonare se alege astfel încât: 0 E max nde E max reperezntă valoarea maxmă a tensn de colector. În regm dnamc, pnctl statc de fncţonare se deplasează pe dreapta de sarcnă dnamcă, a căre ecaţe este: ' n n Dpă cm se vede pentr înlătrarea perderlor s-a înloct rezstenţa de colector c prmarl n transformator, ar pnctl statc este astfel ales încât atnc când ampltdnea semnall creşte să se ajngă în acelaş tmp la lmta de satraţe ş la cea de tăere. andamentl n etaj n clasa A este: η ce c 0 deoarece max ş E max 0 rezltă randamentl maxm η max 0. 5, ceea ce înseamnă că ma mlt de jmătate dn pterea absorbtă de la srsa de crent contn se perde. Pentr semnale foarte mc acest randament tnde către zero..4.3 Amplfcatoare în contratmp (clasele B, AB) Amplfcatoare în contratmp (ps-pll) folosesc doă tranzstoare, nl amplfcând alternanţele poztve, celălalt alternanţele negatve ale semnall de ntrare. andamentl maxm se obţne atnc când tranzstoarele lcrează în clasa B de amplfcare. Pe fgra de ma jos este reprezentată scema n amplfcator în clasa B, doă repetoare pe emtor legate în contratmp: Dacă tensnea de ntrare este poztvă tranzstorl T lcrează ca repetor pe emtor, tranzstorl T fnd blocat, ar la tensne de ntrare negatvă T va f blocat ş T repetor pe emtor. Dacă tensnea de ntrare este nlă, ambele tranzstoare snt blocate, n se consmă energe de la srsa de almentare, fapt ce dce la n randament mlt ma mare. 97
Tensnea de eşre este aproxmatv egală c tensnea de ntrare, dec amplfcarea în tensne este practc ntară, în scmb amplfcarea în crent este practc egală c cea a tranzstorl ( β ). renţ consmaţ de la fecare srsă în parte snt egal, ar valoarea maxmă a tensn de eşre este foarte apropată de cea de almentare (tranzstoare satrate). Pterea maxmă la eşre la semnal snsodal: P Pterea perdtă pe tranzstorl T, ma exact valoarea mede a aceste pter: P d T astfel randamentl crctl: T max ( ) 0 sn ωt dt π max 4 max η P P P d π 4 max 0.785 max max 78.5% Dpă cm se vede pe caracterstca de transfer, crentl este aproape zero în jrl orgn, nde avem o aşa nmtă zonă moartă, care va caza dstorsnle nelnare nmte de trecere (vez fgra), ceea ce este n mare dezavantaj. Acest dezavantaj poate f înlătrat, dacă bazele tranzstoarelor snt polarzate (prepolarzate) c o srsă (respectv doă) de tensne contnă, cazl clase AB de amplfcare, prezentat pe fgra de ma jos: Dstorsnle care totş apar în rma transferl nelnar pot f mcşorate foarte mlt prntr-o reacţe negatvă adecvată, care poate f realzată de exempl c ajtorl rezstenţelor de emtor (reacţe crent-tensne). ezstenţele, fnd în sere c sarcna, scade valoarea pter tle, de dort fnd valor mc pentr aceste rezstenţe. Totş, menţnerea constantă a tensnlor de prepolarzare c varaţa temperatr, rămâne problema fndamentală a amplfcatoarelor în clasa AB de fncţonare. Fgrle rmătoare prezntă câteva exemple de realzarea prepolarzăr tranzstoarelor dn amplfcatoare clasă AB. 98
Pe dodele D, D căderea de tensne este de aproxmatv 0,7V, tensne la care prn tranzstoare trece n crent mc de polarzare (de pnct statc de fncţonare). Pentr a obţne o rezstenţă ma mare la ntrare, dodele pot f înlocte c repetoare pe emtor, aşa cm se vede pe fgra a doa: Pe ltma fgră se vede n crct de polarzare nmt dodă mltplcată, realzat c tranzstorl T 3, care fncţonează c reacţe negatvă prn rezstenţele 3, 4 : 3 E BE 4 Generatorl de crent asgră crentl de polarzare pentr tranzstoarele fnale, deoarece n poate trece crent de la ntrare spre tranzstoarele fnale. Asgrând contactl termc al crctl de polarzare ( 3 poate f n termstor NT în contact c radatorl tranzstoarelor fnale) se asgră compensarea varaţe c temperatra a tensn BE. Dacă este necesară obţnerea nor valor mar pentr crentl de eşre, tranzstoarele pot f înlocte c conexn Darlngton, dpă cm se vede pe fgra de ma jos: 99
Dacă n se pot obţne tranzstoare npn ş pnp de aceeaş ptere se tlzează scema ' cascomplementară de pe ltma fgră, nde ansambll T,T se comportă ca n tranzstor pnp..5 edresoare de tensne.5. ntrodcere Fncţonarea majortăţ crctelor electronce se bazează pe tlzarea energe de la na sa ma mlte srse de almentare de crent contn, care face conversa tensn alternatve dn reţeaa de dstrbţe c frecvenţa de 50Hz. Această converse se realzează c ajtorl redresoarelor de tensne. Transformarea tensn alternatve într-o tensne care are componentă contnă dfertă de zero este posblă datortă elementelor nelnare pe care le conţne n redresor, dodele semcondctoare. Fgra de ma jos reprezntă scema bloc a ne srse stablzate de almentare de crent contn: Transformatorl are roll de a modfca tensnea de crent alternatv a reţele la nvell necesar obţner tensn contne dorte ş de a zola aparatl electronc de la reţeaa de crent alternatv. ederesorl realzează componenta de crent contn c ajtorl dodelor redresoare. Pe lângă componenta contnă la esrea redresorl se obţne ş o componentă varablă nmtă ondlaţe. Fltrl are roll de a atena ondlaţle tensn redresate, dec trebe să fe n fltr trece-jos, c frecventa de tăere foarte joasă Stablzatorl are roll de a face tensne de eşre ndependentă de tensnea de ntrare, de crentl de eşre (de sarcnă) ş pe cât posbl de temperatră. În cele ce rmează vom stda reresoarele monofazate, adcă acelea care redresează nma o fază a reţele, c ş fără fltr, dpă care în captoll rmător vom stda ş stablzatoarele.5. edresor monofazat monoalternanţă În fgra de ma jos se prezntă scema n redresor monofazat, precm ş caracterstca deală a ne dode redresoare, c care se realzează redresarea: Se consderă n transformator fără perder, c snωt ş snωt respectv r ş r snt nmărl de spre ş rezstenţele dn prmar ş secndar., nde n ş n 00
0 Într-n redresor dspoztvl semcondctor (doda) lcrează la semnal mare, nelnartăţle dspoztvl prodcând de fapt efectl de redresare.în acest caz, tensnea de descdere poate f negljată, doda lasă să treacă doar semalternanţa poztvă, cea negatvă fnd tăată. Expresa crentl prn sarcnă este: π ω π π ω ω 0 0 sn t M nde M, ar este rezstenţa totală ezstenta înglobează rezstenţa de perder a transformatorl, precm ş rezstenţa d r a dode corespnzătoare modl de lcr la semnal mare dezvoltând în sere Forer această formă de ndă, rezltă: ( )( )...,4,6 cos sn k M k k t k t ω π ω π, nde tensnea pe sarcnă este: a rmare crentl ş tensnea mede (redresată) snt: π M, π π M ampltdnea componente fndamentale a semnall (ondlaţe): M, M :
valoarea efcace (efectvă) a crentl total de sarcnă: T π EF dt M sn td( t) T ω ω π 0 0 M randamentl redresăr se defneşte ca fnd raportl dntre pterea de cc în sarcnă ş pterea totală: η ( ) EF 4 π < 40% factorl de ondlaţe caracterzează caltatv forma de ndă obţntă dpă redresare, fnd : γ π,57 aracterstca externă a redresorl se obţne prn elmnarea l π dn expresa tensn de eşre: ceea ce ne arată că tensnea redresată scade pe măsră ce creşte crentl de sarcnă, datortă perderlor pe rezstenţa de perder totale.5.3 edresor dblă alternanţă c prză medană Pe fgra de ma jos se prezntă sema electrcă ş formele de ndă ale nb redresor dblă alternanţă c transformator c prză medană: Se observă că crctl se compne dn doă redresoare monoalternanţă, astfel conectate încât în alternanţa poztvă condce doda D, ar în semalternanţa negatvă condce D, crentl prn sarcnă fnd sma celor do crenţ prn dode, având acelaş sens în ambele semalternanţe. Se obţne o formă de ndă dblă alternanţă cm se vede pe fgrle rmătoare: 0
03 Dacă admtem pentr dode caracterstca deală, crentl prn sarcnă va avea expresa: ( )( )...,4,6 cos 4 sn k M sereforer M k k t k t ω π π ω rentl ş tensnea redresată snt: π M π Se observă că frecvenţa mnmă a ondlaţlor este dbll frecvenţe tensn dn secndar, ar ampltdnle fndamentale în sarcnă snt: π 3π 4 3 4 M, valoarea efcace a crentl de sarcnă: M EF randamentl redresăr: ( ) 80% 8 < EF EF π η
factorl de ondlaţe: caracterstca externă: γ 3, dec sbntar faţă de redresarea monoalternanţă.5.4 edresor balternanţă în pnte În fgra de ma jos se prezntă n redresor balternanţă în pnte care tlzează patr dode: în semalternanţa poztvă condc dodele D, D3, ar în semalternanţa negatvă condc dodele D, D4, se obţn aceleaş forme de ndă ca ş în cazl redresorl balternanţă c pnct medan: bservaţe Întrcât la n moment dat condc doă dode, rezstenţa totală va f modfcată (ambele dode vor contrb c rezstenţa propre la rezstenţa totală), în rest toate relaţle obţnte la redresorl anteror se păstrează. Avantajl redresorl în pnte constă în faptl că tensnea nversă maxmă pe dode la aceeaş tensne redresată este jmătate dn valoarea corespnzătoare redresorl c prză medană, precm ş faptl că transformatorl n are nevoe de prză medană 04
.5.5 edresor c fltr capactv Tensnle ş crenţ rezltaţ prn redresare monofazată snt fncţ perodce (nesnsodale). Ele se descompn în ser Forer, aşa cm am văzt ma înante, astfel se pn în evdenţă armoncle care apar în rma redresăr. Forma de ndă a tensn redresate se caracterzează prn factorl de ondlaţe defnt ca fnd raportl dntre ampltdnea armonc ş valoarea tensn contne obţnte în rma redresăr. În cazl redresorl monofazat monoalternanţă armonca cea ma mportantă este componenta alternatvă de 50 Hz, ar în cazl redresorl balternanţă este cea de 00 Hz. Pe fgra de ma jos se prezntă n redresor monoalternanţă c n fltr capactv, cel ma des folost.ondensatorl înmagaznează energe în ntervall când doda condce, energe debtată în sarcnă atnc când doda este blocată, ca rmare tmpl cât crentl trece prn sarcnă creşte (ca ş valoarea mede a crentl), ar ondlaţle se redc. Prespnând condensator de valoare foarte mare, se obţne n factor de ondlaţe: π γ ω În general se pot tlza mlte tpr de fltre de netezre (fltre ndctve, capactve, compse) în mlte confgraţ (în T, în π ), dntre acestea fltrl capactv fnd el ma răspândt 05
.6 Stablzatoare de tensne Tensnea obţntă la eşrea n redresor c fltr are pe lângă componenta contnă ş o componentă varablă, nmtă ondlaţe, în pls componenta contnă este dependentă de crentl de sarcnă, de temperatră, precm ş de tensnea de reţea. Stablzatorl de tensne este n crct care în caz deal asgră la eşre o tensne ndependentă de tensnea de ntrare, de crentl de sarcnă s de temperatră.6. lasfcarea stablzatoarelor de tensne În fncţe de prncpl de fncţonare, avem: -stablzatoare parametrce care îş bazează fncţonarea pe nelnartatea caracterstc crent-tensne a dspoztvl electronc folost (în general dodă stablzatoare) -stablzatoare c reacţe negatvă care snt crcte electronce lnare, fncţa de stablzare realzând-se prntr-o reacţe negatvă -stablzatoare în regm de comtaţe la care elementl reglator al tensn de esre lcrează în regm de comtaţe, crescând astfel mlt randamentl stablzatorl În fncţe de pozţa elementl reglator faţă de eşrea stablzatorl -stablzatoare sere -stablzatoare paralel (în dervaţe).6. Parametr stablzatoarelor Vom defn pe scema de ma jos ce ma mportanţ parametr: (, T ), Dferenţnd ş trecând la varaţ fnte (prespnând varaţ mc): d δ δ d δ δ d δ δt dt S S T T S, T ct -coefcent de stablzare, T ct -rezstenţa de eşre S T T, ct - coefcent de temperatră 06
Pe fgrle de ma jos snt reprezentate varaţle ( ), respectv ( ) stablzator de tensne real: pentr n d δ d δ δ d δ δ dt T δ.6.3 Stablzator parametrc c dodă stablzatoare ST T S În fgra de ma jos se prezntă scema n stablzator parametrc c dodă stablzatoare. Fncţonarea sceme se bazează pe caracterstca nelnară a dode stablzatoare care admte varaţ mar de crent la varaţ mc ale tensn pe dodă. Tensnea de eşre este car tensnea pe dodă s este de dort ca doda să fe almentată la n crent constant în plaja de stablzare. max este determnată dn consderente de ptere, adcă P max max, ar mn de eşrea dn regnea de stablzare. În plaja de stablzare caracterstca nelnară a dode poate f lnarzată (aproxmată lnar). Dmensonarea rezstenţe stă la baza proectăr stablzatorl parametrc: MAX m n mn max mn m ax max mn Pentr a obţne performanţe ma bne, tensn stablzate ma mar, se pot conecta ma mlte stablzatoare parametrce în cascadă 07
elaţle de ma ss determnă plaja (, ) mn MAX corespnzătoare crenţlor ş tensnlor maxme pe doda stablzatoare. Pentr n factor de stablzare rdcat alegem rezstenţa de valoare ma mare..6.4 Stablzatoare de tensne c reacţe În stablzatoarele electronce c reacţe efectl de stablzare a tensn de eşre este realzat prntr-o reacţe negatvă. Tensnea de eşre este eşantonată c crctl (elementl) de eşantonare EE ş este comparată în crctl comparator c refernţa nternă. Semnall de eroare obţnt, ε este amplfcat de amplfcatorl de eroare AE ş aplcat elementl de control E. În stablzatoarele de tp sere elementl de control este în sere c sarcna, dec sportă întregl crent de eşre, în cazl stablzatoarelor de tp paralel, elementl de control este în paralel c sarcna, sportând toată tensnea de eşre. Scemele bloc a celor doă tpr de stablzatoare snt prezentate pe fgrle de ma jos: S, T ct a stablzatoarele de tp sere, creşterea tensn de eşre (datortă creşter tensn de ntrare sa scăder crentl de sarcnă) prodce o scădere a crentl în elementl de control, dec a creşter tensn pe acesta, care redce dn creşterea nţală a tensn de eşre. a stablzatoarele tp paralel semnall de eroare prodce creşterea crentl elementl de control, dec creşterea tensn pe rezstenţa (de balast) dec se redce creşterea nţala a tensn de eşre. Datortă perderlor pe rezstenţa, stablzatoarele de tp paralel a n randament ma scăzt faţă de cele de tp sere, motv pentr care snt tlzate ma pţn. 08
.6.4. Stablzator sere fără amplfcator de eroare Pe fgra de ma jos se prezntă scema cea ma smplă de stablzator sere fără amplfcator de eroare: Tensnea de eşre este comparată c tensnea de refernţă dată de doda ener drect pe baza tranzstorl T care este elmenmtl de control: B ; β ; ( F ) B În proectarea de crent contn cea ma esenţală este dmensonarea rezstenţe, ca ş la stablzatorl parametrc. Dn relaţle de ma ss se obţne: ( β ) F Admţând plaje de varaând plaje de varaţe pentr rezstenţa :,,, β rezltă domenl pentr F max mn m n max ( β ) F mn ; mn max m ax mn ( β ) F max Aceste relaţ pot f foloste în proectare, dar trebe să se ţnă cont de lmtărle tranzstorl în ceea ce prveşte tensnea colector-emtor ş crentl de colector maxme, care trebe să fe ma mare ca tensnea de ntrare, respectv crentl de eşre maxm E max (dn catalog) m ax EM max max M P ( m ax ) PM max max 09
.6.4. Stablzator sere c amplfcator de eroare Pe fgra de ma jos este prezentată o varantă de stablzator sere c amplfcator de eroare, nde tranzstorl T are fncţa de comparator ş de amplfcator de eroare BE ( BE ) ; B S exp T Semnall de eroare BE este amplfcat de tranzstorl T ş aplcat în antfază pe baza tranzstorl T, care este elementl de control. Dec componentele varable ale crenţlor de colector ş de bază ale tranzstorl T snt în antfază. ezstenţa 3 asgră crentl de polarzare dode de refernţă ş trebe dmensonată astfel ca valoarea crentl varabl să n afecteze tensnea de refernţă ( >> ) 3 Ea trebe să satsfacă rmătoarele relaţ: 3 max max mn 3 mn mn max ezstenţa asgră crentl de polarzare pentr baza tranzstorl T ş colectorl tranzstorl T. Fnd conectată la tensnea nestablzată, poate transmte la eşre varaţle tensn de ntrare, prn joncţnea bază-emtor a tranzstorl T, astfel scade factorl de stablzare. ezstenţa n poate avea valor mc, deoarece transmte varaţle tensn de ntrare, dar nc foarte mare pentr că în acest caz n poate polarza tranzstoarele. Ea trebe să fe totş cât ma mare: max m n mn BE B max ezstenţele, ale crctl de eşantonare trebe să fe alese astfel încât crentl prn ele să fe mlt ma mare decât crentl de bază al tranzstorl T 0
.6.4.3 Stablzator paralel fără amplfcator de eroare Pe fgra de ma jos se prezntă n stablzator paralel fără amplfcator de eroare, nde tranzstorl este elementl de control ş comparatorl. Întreaga tensne de eşre este comparată c tensnea de refernţă dată de doda stablzatoare: BE B BE Proectarea în crent contn se redce la dmensonarea rezstenţe, negljând crentl prn doda stablzatoare, obţnem relaţle: BE admţând plaje de varaţe pentr,, rezltă domenl pentr rezstenţa : max m n mn max mn m ax max mn ezstenţa se dmensonează astfel ca să permtă trecerea crentl mnm necesar dode satblzatoare atnc când tranzstorl este blocat. Evdent se ţne cont de lmtărle tranzstorl prvtoare la crenţ ş tensn maxme admse. Pentr a obţne tensn de eşre ma mar ca tensnea dode stablzatoare se poate tlza scema dn fgra rmătoare: ( ) BE
.6.5 Stablzatoare de tensne de tp sere perfecţonate.6.5. Stablzator de tensne c prestablzator Pentr ca ondlaţle tensn de ntrare să n se transmtă la la eşre prn rezstenţa, aceasta poate f almentată de la o tensne stablzată tolzând n stablzator parametrc având roll prestablzatorl. Prn acest procede se îmbnătăţeşte factorl de stablzare ş rezstenţă de eşre: Pe fgra de ma jos se prezntă n alt stablzator c prestablzator, dar în acest caz prestablzarea se face faţă de tensnea stablzată: Dacă înlocm rezstenţa prntr-n generator de crent constant, rezstenţa de sarcnă a amplfcatorl de eroare creşte, ceea ce dce la creşterea factorl de stablzare. Pe scema dn fgra rmătoare generatorl de crent constant este realzat c tranzstorl T 3, doda ener D 3, rezstenţa 4.
Stablzatoarele sere pot f îmbnătăţte ş prn perfecţonarea amplfcatorl de eroare, de exempl tlzând n amplfcator dferenţal.6.6 Protecţa stablzatoarelor În caz de sprasarcnă sa de scrtcrct accdental, crentl prn tranzstorl sere creşte mlt, apare percoll dstrger acesta. Pentr a preven dstrgerea tranzstorl sere se folosesc crcte ce lmtează crentl maxm prn sarcnă. În general se aplcă doă tpr de protecţe la sprasarcnă, lmtarea la crentl de scrtcrct ş lmtarea prn întoarcerea caracterstc, dpă cm se vede pe fgrle de ma jos 3
.7 sclatoare armonce.7. ntrodcere sclatorl armonc este n crct electronc care generează n semnal de formă snsodală: ( t) snωt Semnall () t apare la bornele ne rezstenţe de sarcnă. sclatorl cedează dec sarcn o ptere de crent alternatv, care se poate scre în forma: P s s Srsa prmară a pter este batera de almentare în crent contn, psă în evdenţă pe fgra de ma jos: rctl trebe să conţnă dspoztve electronce actve, capable să transforme pterea de crent contn absorbtă de la srsa de almentare în ptere de semnal. Astfel de dspoztve snt de pldă tranzstoarele bpolare sa c efect de câmp. bservaţle de ma ss se leagă de aspectl energetc al probleme exstenţe osclatoarelor. Dn pnctl de vedere al teore crctelor electrce, trebe lămrte ş alte aspecte: cm se explcă exstenţa osclaţlor într-n crct care n este exctat dn exteror de nc o srsă de semnal ş de ce aceste osclaţ snt de forma snsodală? înţelegere ma bnă a fenomenelor care a loc în osclator o ptem căpăta prvnd crctl ca n amplfcator c reacţe poztvă. 4
.7. sclatorl armonc ca n amplfcator c reacţe poztvă. elaţa Barkasen onsderăm amplfcatorl c reacţe dn fgra de ma jos, care fncţonează în regm de crent alternatv. Semnalele notate c X pot f, dpă caz, tensn sa crenţ. Amlfcatorl ş reţeaa de reacţe snt crcte lnare descrse de ecaţle: X A X X r β X Prma relaţe, valablă ndferent de crctl extreror amplfcatorl, defneşte n amplfcator deal. onsderaţ smlare se aplcă reţele de reacţe defntă de fncţa de transfer β. tlzând ş ecaţa smatorl X g X obţnem amplfcarea c reacţe X r A r X X g A β A rctl dn fgra de ma ss devne n osclator, dacă îndepărtând semnall de exctaţe (Xg 0) obţnem totş n semnal de eşre ( X fnt, 0 ). Aceasta ecvalează c A r X X g ş tlzând formla reacţe poztve obţnem condţa de osclaţe A β, denmtă ş relaţa l Barkasen. 5
Această condţe semnfcă în fond reprodcerea semnall pe bcla de reacţe poztvă, aşa cm se arată în fgra de ma jos: În general A A (jω) ş β β (jω), deoarece crctl conţne elemente reactve. Pnând în evdenţă ampltdnea ş faza acestor nmere complexe avem A A exp j ϕa, j β β exp j ϕβ ş relaţa Barkasen este ecvalentă c doă condţ reale: A β (condţa de ampltdne) φ A φ A 0,π, 4 π, (condţa de fază) eamntm că semnall snsodal este ncl semnal care îs reprodce forma dpă ce parcrge n crct (lnar) c elemente reactve. Aceasta este ş motvl pentr care crctl generează n semnal snsodal ş n de altă formă. Semnall Xr X A(jω) β(jω) care rezltă dpă parcrgerea bcle de reacţe este evdent de aceeaş frecvenţă c X. ondţle de osclaţe cer ca ampltdnea ş respectv faza semnall să se reprodcă. În mlte staţ practce, ptem prespne A nmăr real. Atnc φ A 0 sa π, dpă caz. ondţa de fază devne ϕ ϕ ( ω) 0,π,... A B ş determnă frecvenţa de osclate, ω osc. ezltă conclza mportantă: reţeaa de reacţe este aceea care determnă frecvenţa de osclaţe. N nma mărmea aceste frecvenţe, dar ş posbltatea reglajl frecvenţe într-o anmtă bandă, precm ş stabltatea aceste frecvenţe snt nflenţate de tpl reţele de reacţe ş de realzarea concretă a acestea. 6
.7.3 lasfcarea osclatoarelor armonce sclatoarele armonce de tp amplfcator c reacţe poztvă se clasfcă dpă natra reţele de reacţe astfel: -osclatoare (reţea de reacţe c rezstenţe ş capactăţ ); -osclatoare (reţea de reacţe c ndctanţe ş capactăţ ); sclatoarele pot lcra pe frecvenţă fxă sa varablă. Dpă gama de frecvenţă pe care o acoperă, osclatoarele snt: -de adofrecvenţă, c frecvenţa de la câţva Hz până la crca 0 KHz ; -de radofrecvenţă (ste de KHz până la GHz) ; -de mcronde (frecvenţe peste GHz) ; a reglă generală, osclatoarele de adofrecvenţă snt de tp ar cele de radofrecvenţă de tp. sclatoarele por f clasfcate ş dpă dspoztvele actve pe care le conţn: -osclatoare c tranzstoare bpolare -c tranzstoare c efect de câmp; N toate osclatoarele snt de tp amplfcator c reacţe poztvă. altă categore o formează osclatoarele c dspoztve c rezstenţă negatvă. n astfel de dspoztv generează ptere dacă este polarzat convenabl în crent contn. Plasând dspoztvl într-n crct rezonant, se pot obţne atoosclaând dspoztvl într-n crct rezonant, se pot obţne atooscla neamortzate dacă rezstenţa negatvă a dspoztvl compensează perderle..7.4 Probleme ale analze fnctonăr osclatoarelor Pentr caracterzarea n osclator trebe să se determne în prncpal: - condţa de amorsare a osclaţlor ; - frecvenţa de osclaţe, f osc ω osc / π ; - ampltdnea de osclaţe, de pldă osc ; - condţa de stabltate dnamcă a osclaţlor ; Ma prezntă nteres: stabltatea ampltdn ş frecvenţe de osclaţe, forma exactă a semnall generat (evalarea dstorsnlor, etc). Teora lnară a osclatoarelor se bazează pe modelarea dspoztvelor electronce c crcte ecvalente de semnal mc. elelalte elemente de crct a caracterstc lnare ş parametr ndependenţ de mărmea semnall aplcat. În cadrl aceste teor n se pot stabl decât condţa de amorsare, frecvenţa de osclaţe ş stabltatea acestea. De fapt, f osc va f afectată de nelnartăţ, dacă crctl este nelnar ş se comportă ca atare. Prespnem A A real (ndependent de frecvenţă). Dn relaţa Barkasen A β ( jω) rezltă că β (jω) trebe să fe real la frecvenţa de osclaţe, adcă m β ( jω) ωωosc 0 7
Ecaţa de ma ss determnă ω osc. Dn relaţa precedentă rezltă A, β ( jω ) adcă valoarea pe care trebe să abă amplfcarea pentr a ssţne atoosclaţle. În mod nttv ne dăm seama că relaţa de ma ss frnzează valoarea mnmă a modll amplfcăr. Ac apare o dfcltatate. în sensl că dn pnct de vedere expermental A n poate f realzată exact la valoarea calclată c o relaţe de tpl cele de ss.. ar dacă n reglaj fn în crct ar permte îndeplnrea precsă a condţe de ma ss, această fncţonare n ar f stablă. ea ma mcă modfcare a parametrlor nor elemente dn crct ar ptea modfca amplfcarea A ş ca rmare ar apărea na dn rmătoarele staţ: - dacă A devne ma mc decât valoarea mpsă de relaţa de ma ss, atnc osclaţle se stng ; - dacă A este ma mare decât aceeaş valoare, atnc ampltdnea osclaţlor va creşte la ndefnt, fără ca teora să poată prevedea valoarea la care osclaţle vor treb totş să se lmteze. De fapt, tocma acesta este marele dezavantaj al teore lnare: ea n permte detemnarea ampltdn de osclaţe. Teora cvaslnară se ma nmeşte ş metoda prme armonc. Se admte că fncţonarea amplfcatorl este nelnară ş se dedce o amplfcare pe fndamentală. Această amplfcare va depnde de ampltdnea semnall, notată c. În cazl osclaţlor în regm permanent, va treb ca: A osc β ( jω Această condţe determnă dec ampltdnea osclaţe. Se va arăta că ea permte ş aprecerea stabltăţ dnamce a fncţonăr osclatorl. Metoda este aproxmatvă deoarece n a în consderare armoncle semnall. Teora nelnară permte în prncp determnarea forme de ndă exacte. Dn pnct de vedere matematc, este necesară rezolvarea ecaţe dferenţale nelnare a crctl, problemă pentr care n exstă metode standard. solte analtcă este cel ma adesea mposblă, car c preţl nor smlfcăr în scema analzată ş în caracterstcle dspoztvelor electronce foloste. osc osc. ) mtarea se poate face prn:.7.5 mtarea ampltdn de osclaţe a). elemente de control c nerţe termcă (termstor) 8
Termstorl este n rezstor a căr rezstenţă are n coefcent de temperatră negatv ş foarte mare în valoare absoltă. În tmp ce rezstenţa metalelor pre creşte c crca 0,4 % pe grad (elss, Kelvn), rezstenţa termstorl poate scădea c 3 până la 5,5 % pe grad. 9
Dependenţa de temperatră a rezstenţe termstorl poate f aproxmată prn: T T0 B T 0 exp( α T 0 T ), T 0 T T 0 b). rezstenţe controlate electrc (TE) Fgra de ma jos reprezntă caracterstcle de drenă ale tranzstorl TE c poartă joncţne la crenţ mc. aracterstcle snt practc lnare: între drenă ş srsă tranzstorl se comportă ca o rezstenţă a căre mărme este controlată de tensnea contnă aplcată între poartă ş srsă, GS. c). dpol de lmtare c dode; În fgra rmătoare se arată doă dode aşezate în antparalel ş caracterstca crenttensne a dpoll respectv. Dacă la bornele dpoll se aplcă o tensne snsodală de ampltdne, atnc prn dpol trece n crent aprecabl aba dpă depăşrea tensn prag. rentl crge sb formă de mplsr. În context prezntă nteres rezstenţa pe care o oferă dpoll pentr fndamentala crentl. Această rezstenţă scade rapd c creşterea ampltdn semnall dpă ce ampltdnea depăşeşte tensne de prag a dodelor (~ 0,6 V). 0
comportare smlară o are dpoll format dn dode ener în sere ş în opozţe. Ac descderea dpoll are loc aba dpă depăşrea tensn, dacă se negljează tensnea pe dodă descsă. Deoarece rezstenţa dpoll scade brsc, ampltdnea semnall se va lmta la o valoare practc egală c. Această tensne este ma mare dacât cea dn cazl precedent ş poate f aleasă dpă dornţă. Ar f de dort ca cele doă dode să abă caracterstc dentce pentr ca () să fe perfect smetrcă: în acest caz lpsesc armoncle de ordn par ale crentl. Această staţe este deosebt de favorablă deoarece de reglă armonca a doa este cea ma mare ş ma gre de fltrat. rctl în pnte permte obţnerea ne caracterstc smetrce. Negljând tensnea pe dodele descse, dpoll se descde pentr o ampltdne de semnal ce depăşeşte tensnea de străongere a dode ener ( ).ezstenţa de ntrare în pnte varază c ampltdnea semnall aplcat. În toate cazrle prezentate până ac dpoll a căr rezstenţă varază c nvell semnall se poate ntrodce într-o reţea de reacţe splmentareă care controlează amplfcarea amplfcatorl. a rmare, amplfcarea varază c ampltdnea osclaţe d crct.
actv. d). caracterstca nelnară a tranzstorl sa, în general, a dspoztvl electronc altă posbltate este ca lmtarea ampltdn de osclaţe să se facă pe seama elementl amplfcator. Dacă crentl de ntrare este snsodal atnc atât tmp cât n părăsm regnea actvă normală, crentl de colector ş tensnea de colector a o varaţe tot snsodală. lmtare a osclaţe apare atnc când amplfcarea scade datortă ntrăr în tăere sa în satraţe..7.6 sclatoare.7.6. sclatoare Wen Fgra de ma jos reprezntă scema generală a n osclator c amplfcator deal de tensne ş reţea Wen. Fncţa de transfer a reţele Wen lcrând în gol (mpedanţa de ntrare a amplfcatorl este nfntă) are expresa: βw ( jω) j ω ω ondţa Barkasen se scre: A β j ( ω) ş admţând A real, rezltă ( jω ) β real f W osc osc π ar amplfcarea necesară pentr ssţnerea osclaţlor este : A βw osc ( jω )
Acest tp de osclator se foloseşte în generatoare de adofrecvenţă c frecvenţa varablă în lmte larg. Pentr a ptea regla frecvenţa rapoartele dn relaţa de ma ss trebe menţnte constante, ar pentr cazl partclar, avem frecvenţa: f osc π ar amplfcarea în tensne trebe să fe egală c 3, ca să fe satsfăctă condţa de osclaţe. Amplfcatorl de tensne trebe să satsfacă dec rmătoarele condţ: -amplfcare poztvă, egală c 3 pentr reţeaa c elemente egale -mpedanţă de ntrare practc nfntă -mpedanţă de eşre negljablă Pentr a îndepln aceste condţ, se poate folos n amplfcator c reacţe negatvă de tensne sere, reacţe care stablzează amplfcarea ş o face şor controlablă, creşte mpedanţa de ntrare ş o redce pe cea de la eşre. Fgra de ma jos prezntă n osclator c doă bcle de reacţe :na poztvă selectvă (dependentă de frecvenţă) prn reţeaa Wen ş o reacţe negatvă neselectvă prn atenatorl format dn rezstenţele r,r. Dacă amplfcarea amplfcatorl de bază este sfcent de mare, atnc amplfcarea c reacţe negatvă este: r r r A real r r În cazl,, A 3 trebe să lăm r r, nde r trebe să fe sensblă la ampltdnea osclaţe dn crct (zal termstor). 3
Aplcaţe Se prezntă n osclator Wen, smlat c ajtorl programl Mcrosm8 4
.7.6. sclatoare c reţea dbl T ş amplfcatoare de tensne eţeaa dbl T este o reţea c o selectvtate ma bnă ca reţeaa Wen. Dacă se prespne că reţeaa se comandă în tensne ş că lcrează în gol, fncţa de transfer este: F T ( jω) k ω 0 j kω0 ω0 k ω0 j k ω 0 k k ω0 ω nde ω 0, nde ω K este frecvenţa caracterstcă. Este şor de verfcat că F T ω K atât pentr ω 0 cât ş pentr ω, ndferent de valoarea l k.modll fncţe de transfer are cel pţn o valoare extremă atnc când a varază de la 0 la. a frecvenţa caracterstcă ω fncţa de transfer în tensne este reală : K F T ( jω ) 0 k k ( k ) k fnd poztvă pentr k > 0. 5, negatvă pentr k < 0. 5 ş zero pentr k 0. 5. În acest ltm caz, la frecvenţa caracterstcă are loc o rejecte totală a semnall. ele tre cazr snt sntetzate în tabell rmător: tlzarea reţele dbl T k < 0.5 0.5 > 0.5 F T ( jω) eal, negatv zero eal, poztv F T j maxm Mnm egal c zero mnm ( ) ω 0 rctl se comportă ca n Fltr trece bandă în jrl l ω0 rct de rejezţe a frecvenţe ω0 Fltr opreşte bandă în jrl l ω0 Dacă reţeaa operează ca n fltr trece bandă ( k < 0. 5 ), atnc ea poate f tlzată în bcla de reacţe poztvă a n osclator, ar când lcrează ca n fltr opreşte bandă ( k > 0. 5 ), atnc ea trebe nclsă în bcla de reacte negatvă, aşa cm se arată în fgra rmătoare: 5
n astfel de osclator se poate realza c n TE-J, lmtarea ampltdn osclaţlor se poate face pe seama nelnartăţ tranzstorl (reţeaa de reacţe poztvă are o selectvtate relatv rdcată, redcând efectl armoncelor): 6
7.7.6.3 sclatoare c reţea de defazare sclatoarele c reţea de defazare snt de fapt amplfcatoare c reacţe poztvă care tlzează reţele defazoare, trece-ss sa trece-jos, ca în fgra rmătoare: ( ) j j j F ω ω ω ( ) j F ω ω ω ( ) arctg j F ω ω φ arg ( ) j j F ω ω ( ) j F ω ω ( ) arctg j F ω ω φ arg Fgra de ma jos reprezntă n osclator c amplfcator deal de tensne ş reţea de defazare: alcll fncţe de transfer ndcă: ( ) 3 3 3 4 4 5 6 jω β Pentr o reţea de tp trece-ss obţnem: ( ) ( ) j( ) j j ω α α α α α β ω β ω ; 6 5 ; 3
ondţa de osclaţe se scre: A β ( jω) prespnând amplfcare reală condţa dvne: β ( ω ) real j osc, obţnem: α 6 ωosc 6 (reţeaa trece-ss) A ( jω ) osc β ( jω ) osc 9 Este evdent că reţeaa defazează c 80 de grade. ella de tp trece-jos se obţne pentr jω 6 osc dec la aceleaş valor ale l ş, frecvenţa osclatorl c celle trece-jos este de 6 or ma mare decât cea a osclatorl c celle trece-ss, în pls n alt avantaj ar f faptl că reţeaa trece-jos atenează armoncle osclaţe dn crct (practc nesnsodale dn caza dstorsnlor). Amplfcarea negatvă este realzablă c n sngr etaj ( de pldă srsă comnă), mărmea amplfcăr este însă relatv rdcată ( pentr n sngr etaj, de pldă). Atenarea reţele poate f însă mcşorată tlzând ma mlt de tre celle în cascadă sa tlzând celle nedentce ca în fgra de ma jos: ω A 9 f osc f 3 π a osc π a 3 a a 8
Aplcaţe Pe fgra de ma jos se prezntă n osclator c reţea de defazare tp "trece-jos'" precm ş forma de ndă a semnall de eşre ş spectrl de frecvenţe smlat c ajtorl programl ddactc "Mcrosm": 9
Aplcaţe Pe fgra de ma jos se prezntă n osclator c reţea de defazare tp "trece-ss'" precm ş forma de ndă a semnall de eşre ş spectrl de frecvenţe smlat c ajtorl programl ddactc "Mcrosm": 30
.7.7 sclatoare.7.7. sclatoare c crct acordat în colector ş reacţe magnetcă spre bază Aceste osclatoarele ntrodc o reacţe poztvă prn transformator în etajl de amplfcare, ele se ma nmesc ş osclatoare Messner. În fgrle de ma jos se prezntă tre osclatoare c crct acordat c tranzstor bpolar în conexne emtor-comn, ampltdnea maxmă c deplasarea de fază de 80 grade apare la frecvenţa de rezonanţă a crctl acordat: f osc π parte dn tensnea de eşre este adsă în crctl de bază c n defazaj care asgră reacţa poztvă, calcle se pot face pe scema ecvalentă de crent alternatv: condţa de amorsare este: g m q kt 0 > r M amorsarea poate f forţată mărnd cplajl magnetc M sa crescând crentl de polarzare al tranzstorl, 0. Pentr ca amorsarea să fe posblă este necesar ca rezstenţa de perder r să n fe prea mare. 3
În contnare se prezntă n osclator c cplaj magnetc, smlat c ajtorl programl ddactc Mcrosm8: v 3
.7.7. sclatoare în tre pncte Scema generală a n osclator în tre pncte se prezntă în fgra rmătoare: Se observă dspnerea celor tre mpedanţe între cele tre tre termnale ale tranzstorl bpolar de nde ş denmrea de osclator în tre pncte. Scema ecvalentă de crent alternatv pentr stdl acest crct este reprezentată în fgra de ma jos: Dacă admtem r 0 ş o o ş aplcăm condţa l Barkasen, rezltă condţa de osclaţe: ( ) ( ) 0 3 f 3 Admtem pentr încept că mpedanţele,, 3 snt reactanţe pre. Înlocnd k jx k în relaţa de ma ss ş obţnem: X X X 3 0 f X X ω ω osc elaţle de ma ss permt determnarea frecvenţe de osclaţe, precm ş valoarea mnmă pentr f necesară pentr amorsarea osclanecesară pentr amorsarea osclaţlor. 33